自然对流换热计算
自然对流换热系数计算方法研究_陈孟
堆焊层
管嘴
封头
图 3 堆芯补水箱进口接管接管示意图及有限元模型
4.1 强迫对流
强迫对流换热系数按照迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）实验关联式[1]进行计算， k p （4） h = 0.023 ⋅ ⋅ Re 0.8 ⋅ Pr 0.3 f ID 4⋅ ρ ⋅Q p 其中：ID 为内径； Re = 为雷诺数，表征惯性力和粘性力之比的一种量度； Q 为体积 π ⋅ µ p ⋅ ID 流量。 通过计算，得到不同硼水温度下接管内壁的强迫对流换热系数，如表 1 所示。由于强迫对流
2 自然对流
根据传热学相关理论，原则上自然对流换热准则方程式应为：
2
Nu = f (Gr , Pr )
（1）
其中： Nu =
hn ⋅ L g ⋅ α ⋅ L ⋅ ∆T 为努塞尔数，表征壁面上流体的无量纲温度梯度； Gr = 为格拉晓 kp ν2
cp ⋅ µ p kp
夫数，表征浮升力和粘滞力的比值； Pr =
The Computational Method for Heat Transfer Film Coefficient of Nature Convection
Chen M eng Huang Q ing Weng Yu Jiang X ing Shen R ui
(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai, 200233) Abstract This paper presents a method for computing the heat transfer film coefficient of nature convection. The equation obtained from a mass of tests is used as well as ANSYS code, and an iteration is performanced by using APDL language. An example is given to indicate that the computed film coefficients are reasonable by comparing with experimental data. This method can be used in stress analysis of equipments. Key words Film Coefficient of Nature Convection, iteration, ADPL
自然对流
t t t w t
u0——任意选择的参考速度
U U gtl 1 2U U V 2 X Y u0 Re Y 2 hx x U V Nu x ( ) w, x 0 Y X Y
1 2 U V X Y Re0 Pr Y 2
u u 2u u v g (t t ) 2 y y x
பைடு நூலகம்
u u 2u u v g (t t ) 2 y y x
无量纲温度：
其他无量纲：
x y u v X ;Y ; U ; V l l u0 u0
2 gtl Gr 2 u0l 2 u 02 Re 0 ( ) gtl 3 Gr 格拉晓夫数(Grashof number) 2 Gr：浮升力与粘性力的相对大小。Gr越大，浮升力的相对作 用越大，自然对流越强 U U Gr 1 2U U V 2 X Y Re Re Y 2
6.3 自然对流
Natural Convection Heat Transfer
一、概述
静止的流体，与不同温度的 固体壁面相接触，热边界层 内、外的密度差形成浮升力 （或沉降力）
f B ( f ) g gt
导致流动
固体壁面与流体的温差是 自然对流的根本原因
层流：GrPr<108 湍流：GrPr>1010 过渡区： 108<GrPr<1010 自模化现象： 在常壁温或常热流边 界条件下，达到旺盛 紊流时，hx将保持不 变，与壁面高度无关
3 2 Pr Nu x 4 5(1 2 Pr1/ 2 2 Pr) hx x
1/ 4
(Grx Pr)1/ 4
自然对流换热系数公式
自然对流换热系数公式
自然对流是一种重要的热传递方式，广泛应用于工程领域中。
在自然对流过程中，流体的热量通过差异温度驱动而传递，换热系数是描述这种传热方式的关键参数之一。
自然对流换热系数公式可表示为：
h = (k / L) * (Gr * Pr)^n
其中，h表示换热系数，k表示流体的热导率，L表示特征长度，Gr表示重力数，Pr表示普朗特数，n表示经验系数。
在该公式中，重力数和普朗特数是自然对流换热中的两个重要无量纲参数，Gr数代表了重力的作用，Pr数则代表了流体的性质。
经验系数n的大小取决于具体的流体和几何形状等因素。
需要注意的是，自然对流换热系数公式是基于实验数据和经验公式推导而来的。
因此，在具体应用中，需要根据实际情况进行修正和校准，以获得更精确的结果。
- 1 -。
对流传热系数的计算公式
对流传热系数的计算公式
对流传热系数是热传导中的一种传热方式，常用于热交换器、冷却塔、加热器等传热设备的设计与计算中。
对于流体在壁面上的流动，其对流传热系数与流速、温度、粘度等变量密切相关。
在实际应用中，针对不同的流体与流动状态，可采用不同的计算公式。
下面列举几种常用的对流传热系数计算公式：
1. 自然对流传热系数公式：
h = 1.13 * (gβΔT)^1/4
其中，h为对流传热系数，g为重力加速度，β为热膨胀系数，ΔT为壁面温度与流体温度的差值。
2. 强制对流传热系数公式：
Nu = CRe^mPr^n
其中，Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，C、m、n 为经验系数。
3. 线性对流传热系数公式：
h = kΔT
其中，k为比例常数，ΔT为温度差值。
需要注意的是，以上公式仅适用于理想条件下的流动状态，而实际应用中因存在多种不确定因素，其计算结果仅供参考，具体设计与计算仍需进行实际测试与验证。
- 1 -。
自然和强制对流换热
然对流换热。
工程中常见这种流动，如：
炉壁的散热；
热力管道的散热；
钢包和铸模内的钢液与壁面间的传热等。
3
2 自然对流换热边界层
热的竖壁如图：在壁的下部，自然对流刚开始形成，流动是有规则的层 流，在壁的上部，流动转变为紊流。
B处条纹已部分紊乱，说明流 动开始向湍流转变。
A处的条纹整齐 ，为层流。
使用范围： 直管；
Re ＞104; Pr ＝ 0.7～120
L/d ＞50
温差限制： 气体： △t ≤50℃ 水： △t ≤30℃ 油类： △t ≤10℃
温差不同时管内流速的畸变
20
5 管内湍流时的对流换热
关于修正：
•
• •
大温差的修正
入口段修正 （当 L/d ＜60 时） 弯曲管道的修正
•
层流时的计算
解 解 170 10 170 10 170 10 定性温度为 T 90 ℃ 定性温度为 T 90 ℃ m m 定性温度为 T 90 ℃ m 2 2 2 查表得 0 0313 W /( m ℃ 0 .. 0313 W /( m ℃ )) m 查表得 m 0 . 0313 W /( m ℃ ) m 66 22 ＝ 22 . 10 10 m 6m ＝ 22 . 10 10 m m ＝22.10 10 m 2/ / /ss s
以此计算处的 h为壁面平均 换热系数。
特征尺寸取板长；Re中的速度取主流速度。
13
2 外掠平板
例题：24℃的空气以60m/s的速度外掠一块平板，平壁保持216 ℃的温
度，板长0.4m。试求平均换热系数。（不计辐射换热） ( T ( 24 ) (T T TT )) ( T w ff ) (216 216 24 )) ( T T ( 216 24 ww ( 216 24 ) f ( T T ) w f ) ( 216 24 ) w f 解 定性温度 T 120 ℃ 解 定性温度 T 120 ℃ 解 定性温度 T 120 ℃ 解 120 ℃ m m 解 定性温度 定性温度 Tm T 120 ℃ mm 2 2 22 2 2 2 2 2 2 6 2 6 2 6 6 （m 2 2 2 查表得 25 . 10 查表得 ＝ ＝ 25 45 10 m /s s ） 查表得 ＝ 25 ..45 10 （ m / s 查表得 ＝ 25 ..45 45 10 （ m / s ） 查表得 ＝ 25 45 10 6（ （ m/ /） s） ） 2 2 2 2 3 . 34 10 /( m )] 3 . 34 10 [W W /(/( m ℃ )] 3 . 34 10 [ m ℃ )] 3 . 34 10 [ W /( m ℃ ℃ )] 3.34 10 2 [ [W W /( m ℃ )] Pr 0 686 Pr 0. . 686 Pr 0 ..686 Pr 0 . 686 Pr 0 686 u 60 0 4 uu ll ff l 60 0. . 4 u 60 0 ..4 5 60 0 . 4 u l 55 f lf 60 0 4 5 f 5 雷诺数 Re ＝ 9 . 43 10 雷诺数 Re ＝ 9 . 43 10 雷诺数 Re ＝ 9 . 43 10 雷诺数 ＝ 9 . 43 10 6 雷诺数 Re Re ＝ 9 . 43 10 6 6 6 . 10 25 45 10 25 ..45 10 25 ..45 45 10 25 25 45 10 6 5 55 5 Re 5 10 Re 5 10 Re 5 10 Re 5 10 Re 5 105 平板后部已达湍流区， 则有准数方程为 平板后部已达湍流区， 则有准数方程为 平板后部已达湍流区， 则有准数方程为 平板后部已达湍流区， 则有准数方程为 平板后部已达湍流区， 则有准数方程为
自然对流换热及实验关联式
自然对流换热及实验关联式自然对流是流场温度分布不均匀导致的密度不均匀分布，在重力场的作用下产生的流体运动过程。
而自然对流换热则是流体与固体壁面之间因温度不同引起的自然对流时发生的热量交换过程。
如图 4 － 25 所示的几种自然对流的情况，前三种为大空间自然对流换热，后两种为受限空间的自然对流换热。
在自然界、在现实生活中、以及在工程上，物体的自然冷却或加热都是以自然对流换热的方式实现的。
例如，在偏僻地区，一些平时无人看管的小变电站或电话中继站等，其发热设备往往靠自然对流冷却。
此外，管道、输电线的散热、电子器件的散热、暖气片对室内空气的散热以及海洋环流、大气环流等都与自然对流有关。
由于自然对流换热的换热强度比较弱，尤其是在空气环境下，同时还存在着辐射换热，而且在温度比较高的情况下，辐射换热的强度与自然对流换热的强度处于相同的数量级。
因此，在自然对流换热的实际计算中辐射换热是不可随意忽略的。
一、大空间自然对流的流动和换热特征自然对流与受迫对流最大的不同点在于流体的运动是由于温度差引起的，因而流体与换热是密不可分的。
为了讨论自然对流的流动和换热特征，这里以竖直平板在空气中的自然冷却过程为例来进行分析，如图 4 － 26 所示。
竖直平板在空气中冷却，由于空气的黏度很小，因温度差引起的流体流动的范围十分有限。
在垂直于壁面的方向上流体的速度从壁面处的 u w =0 ，逐步增大到最大值 u max ，再往后又逐步减小到 u ∞ =0 。
这种流体速度变化的区域相对于流体沿着平板上升方向（图中的 x 方向）的尺度是很薄的，因而可以称之为自然对流的速度边界层，其厚度δ (x) 仍然采用受迫对流边界层的约定方法。
它与受迫对流的速度边界层很相似，但也有显著的差别。
主要体现在速度剖面（ y 方向上的速度分布）的不同上，自然对流边界层中速度从零经最大值后在到零值，而受迫对流边界层中速度从零变化到最大值，即来流速度。
与速度边界层同时存在的还有温度发生显著变化的薄层，也就是温度从 t w 逐步变化到环境温度 t ∞热边界层，其厚度与速度边界层大致相当。
自然对流换热试验
自然对流换热实验报告一、实验目的（1）了解空气沿水平圆柱体表面自然流动是的换热过程，掌握实验测试技术。
（2）测定单管（水平放置）的自然对流换热系数h 。
（3）根据实验测得的有关数据，计算各实验管的Nu 数、Gr 数和Pr 数，然后用作图法或最小二乘法确定经验方程式n Gr c Nr Pr)(=中的c 值和n 值，并给出Pr Gr 的范围。
二、实验原理对铜管进行加热，热量是以对流和辐射两种方式来散发，所以对流换热量为总流量与辐射热量之差。
即r h c Φ-Φ=Φ （W ）式中：)(f w c t t hA -=Φ；UI h =Φ；⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ4f 4w 0100T 100T A c r ε，所以⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛---=4f 4w 0100T 100T )()(f w f w t t c t t A UIh ε[]）（K /W ∙m 式中：c Φ为对流换热量，W ；h Φ为加热器产生的热量，W ；r Φ为辐射换热量，W;U 加热器电压，V ；I 为加热器电流，A ；ε为圆柱体表面黑度，ε=0.064；0c 为黑体辐射系数，）（420K m /W 67.5∙=c ；w t 为管壁平均温度，℃；f t 为玻璃室内空气温度，℃；A 为圆柱体的表面积，m 2；h 为自然对流换热系数，）（K /W 2∙m 。
当实验管表面温度稳定时，测定每根管的加热电压U 、电流I 、管壁温度w t 、玻璃室内温度f t ，从表中查出圆管的直径和长度，计算出圆管表面积A ，计算出其对流换热系数h 。
根据相似理论，自然对流换热的准则为Pr),(Gr f Nr =在工业中广泛使用的是比式更为简单的经验方程式，即n Gr c Nr Pr)(=式中：c 、n 是通过实验所确定的常数（在一定的Pr Gr 数值范围内）。
为了确定上述关系式的具体形式，根据测量数据计算结果求得努塞尔准则Nu 、格拉晓夫准则Gr 和普朗特准则Pr ，即λhDNu =； 23υβtD g Gr ∆=； a υ=Pr式中：Pr 、β（空气的体胀系数，1/K ）、υ（空气的运动黏度，m 2/s ）等、λ（空气的导热系数，℃）（∙m /W ）等物性参数由定性温度）（2fw t t +从气体的热物理性质表查取；2/8.9s m g =；D 为圆管壁面定型尺寸，m ；f w t t t -=∆，℃。
自然对流换热
大空间自然对流换热：周围没有其它物体阻碍换热面上边界层 形成和发展的自然对流换热。
有限空间自然对流换热：否则称为有限空间自然对流换热 。
1大空间自然对流换热
边界层：层流→紊流。
转变点取决于温差和流体 的性质 Gr Pr＞109 流态为紊流 边界层内速度分布：
y 0和y 处，均为零
y= 1 处具有最大流速
形成厚 15 mm 的竖直空气夹层。试计算通过空气夹层的自然
对流换热量。
解 定性温度 tm (tw1 tw2 ) / 2 (100 40) / 2 70℃，据此查附录得，空气物性
1.029 kg/m3 ， 20.02106 m2/s ， 0.0296 W/(m 1m/
4
(
h
)1/
9
Gr Pr 2 105 ~ 1.1107 时，
Num
0.073(Gr
Pr
)1m/
3
(
h
)1/
9
（5-32）
（5-33） （5-34）
以上各式的适用范围为： Pr 0.5 ~ 2 h / 11 ~ 42
准则的定，性温度 : tm (tw1 tw2 ) / 2
例 5-8 温度分别为 100℃和 40℃，面积均为0.50.5 m2 的两竖壁，
)1/
9
0.197
(1.002
104
)1m/
4
(
0.015 0.5
)1/
9
1.335
Num 1.335 0.0296 2.63 W/(m2 K)
0.015
自然对流换热量为
Q Ft 2.63(0.50.5)(100 40) 39.5 W
作业
1. 4.